紙紗復合制袋印刷一體機控制系統(tǒng)設(shè)計

岳艷虹，彭珍瑞，侯 飛

（蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070）

紙紗復合制袋印刷一體機控制系統(tǒng)設(shè)計

岳艷虹，彭珍瑞，侯 飛

（蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070）

0 引言

目前研發(fā)出的新型紙紗復合制袋機可以生產(chǎn)經(jīng)緯紗連續(xù)環(huán)繞無中縫的紙紗復合包裝袋，但是，該制袋機只具有印刷雙色的功能，要實現(xiàn)多于兩色的印刷時，需要制袋后單獨在多色印刷機上進行印刷；印刷設(shè)備只能印刷固定長度的紙袋，如變更紙袋長度或印刷幅面時需要人工更換輥筒；印刷設(shè)備是純機械的，自動化程度不高，張力欠佳、跑偏、套準誤差造成各項加工精度達不到標準要求。以上這些問題造成廢品率高，勞動量大，生產(chǎn)效率低，印刷過程關(guān)鍵部件的運行狀態(tài)未做到同步監(jiān)視，實時性、可靠性也大大降低。

針對以上問題，本文研究了一套紙紗復合制袋印刷一體機的控制系統(tǒng)，具有多色印刷、印刷定位精確、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。

1 紙紗復合制袋印刷一體機總體控制方案

1.1 一體機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 紙紗復合制袋印刷一體機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紙紗復合制袋印刷一體機主要由卷紙機構(gòu)、布紗機構(gòu)、上膠機構(gòu)、成型機構(gòu)、加壓機構(gòu)、牽引機構(gòu)、張力控制機構(gòu)、糾偏機構(gòu)、印刷機構(gòu)、干燥機構(gòu)、折邊機構(gòu)、切斷機構(gòu)等組成。如圖1所示，紙紗復合制袋印刷機一體機在完成經(jīng)紗緯紗的上膠和布線、內(nèi)外層紙的成型和加壓之后[1]，分別使用張力控制機構(gòu)和糾偏機構(gòu)來控制紙袋的張力，并糾正其跑偏產(chǎn)生的橫向偏差；進入印刷機構(gòu)對紙袋進行多色印刷；然后使用干燥機構(gòu)烘干紙袋；通過扎微孔機構(gòu)使紙袋完成放氣；最后由小芯胎折邊機構(gòu)將紙袋兩側(cè)折成M形；再經(jīng)過定型機構(gòu)定型后，用切刀切成所需長度并下線。

1.2 控制方案的確定

本文研究的紙紗復合制袋印刷一體機的控制系統(tǒng)是以PLC為控制核心，采用變頻器對牽引電機和緯紗電機進行調(diào)速控制，使用伺服電機完成對紙袋印刷的定長和定位控制。張力控制和糾偏控制由獨立的控制機構(gòu)來完成。

2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，信號檢測模塊和故障檢測模塊將采集到的信號送入PLC進行處理，從而控制電機調(diào)速模塊和功能控制模塊實現(xiàn)控制功能。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 PLC的選型

根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和系統(tǒng)控制任務的要求，選用西門子 S7-200 系列PLC：CPU 224XP CN，另外配合16點DC輸入16點DC輸出的EM223數(shù)字量輸入輸出模塊和2輸出的EM232模擬量輸出模塊。

2.3 電路設(shè)計

整個系統(tǒng)由牽引調(diào)速、緯紗密度控制、上膠溫度控制、壓輥加壓控制、印刷張力控制、紙袋糾偏控制、印刷控制和切刀控制八部分電路組成。

1）伺服電機與伺服單元的選型

印刷部分由伺服系統(tǒng)控制。伺服系統(tǒng)包括：4組印版伺服驅(qū)動器和伺服電機，1組壓印伺服驅(qū)動器和伺服電機，完成對紙袋印刷的定長和定位控制。根據(jù)控制要求，伺服電機選型如表1所示。

表1 伺服電機選型

根據(jù)伺服電機型號選擇匹配的伺服單元，印版和壓印伺服單元均選用SGDM-30ADA，輸入為200V三相交流電源，控制方式為三相全波整流IGBT PWM控制，正弦波電流驅(qū)動方式。

2）張力檢測器與張力控制器的選型

本系統(tǒng)由獨立的張力控制系統(tǒng)來實現(xiàn)印刷前的張力控制，主要包括張力檢測器和張力控制器。

由張力檢測器直接測定紙袋的張力，然后把張力數(shù)據(jù)變成張力信號送入張力控制器，然后輸出控制信號送入牽引變頻器，從而控制牽引電機達到控制張力的目的。選用三菱LE-30CTA型全自動張力控制器和LX-TD型張力檢測器。

3）糾偏裝置的選型

根據(jù)系統(tǒng)功能要求和實際生產(chǎn)狀況，選用氣液糾偏裝置。采用氣動檢測，檢測后的氣體信號操縱氣液伺服伐，控制油缸運動方向從而驅(qū)動糾偏機構(gòu)，實現(xiàn)印前紙袋的橫向糾偏。本系統(tǒng)選用C.JIN'S P05-E1-A型全自動糾偏機。輸入電源為380V，50HZ，馬達1HP；最大負重5000Kg，檢出精度0.05mm；無負荷最大速度25mm/sec（Ф50）。

3 一體機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 控制要求

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求并考慮系統(tǒng)的可靠運行，軟件設(shè)計應滿足一些功能：

1）自動連續(xù)地完成上紙、布紗、上膠、控溫、翻邊、張力控制、糾偏控制、印刷、干燥、折邊、剪切；

2）在紙袋上印刷設(shè)定好的圖案；

3）保證整個生產(chǎn)過程中張力恒定；

4）自動調(diào)節(jié)印前紙帶的橫向偏移，以保證印刷套準的精度要求；

5）印后干燥；

6）自動檢測故障并能緊急停機顯示；

7）剪切無色標袋和各種圖案的色標袋；

8）袋長、印刷長度、袋速在一定范圍內(nèi)可任意設(shè)置。

3.2 控制流程

系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示，印刷伺服系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動器采用的是位置控制模式[2]，通過閉環(huán)控制來實現(xiàn)對印版輥電機和壓印輥電機的速度和位置的精確控制。利用STEP 7 MicroWIN編程軟件，設(shè)置各電機正常運行所需的參數(shù)[3]，使印刷速度和制袋速度相匹配。

圖3 系統(tǒng)的控制流程圖

4 人機界面的設(shè)計

人機界面（HMI）是操作人員和機器設(shè)備之間雙向溝通的橋梁。選用西門子MP370工業(yè)觸摸屏，使用組態(tài)軟件WinCC flexible實現(xiàn)S7-200 PLC與人機界面觸摸屏實時通訊[4]。通過觸摸屏可以輸入袋長、袋速、印刷長度以及溫度等參數(shù)，并且觸摸屏可以實時顯示系統(tǒng)關(guān)鍵部件的運行狀況以及故障信息，實現(xiàn)了一體機生產(chǎn)中的工藝技術(shù)指標，確保系統(tǒng)安全可靠運行。

5 結(jié)論

本文提出了一套以PLC為控制核心的紙紗復合制袋印刷一體機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多色印刷、控制精度高，提高生產(chǎn)效率的目的。結(jié)合實際生產(chǎn)特點和客戶的具體要求，可以對本系統(tǒng)進一步完善，以提高性能和生產(chǎn)效率，滿足不同層次客戶的需求。

[1]彭珍瑞,董海棠,等.新型紙紗復合制袋機控制系統(tǒng)的研制[J].傳感器與微系統(tǒng).2011,30(6):90-92.

[2]胡佳麗,閆寶瑞,張安震,等.S7-200 PLC在伺服電機位置控制中的應用[J].自動化儀表,2009,30(12):38-41.

[3]廖常初.PLC編程及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[4]廖常初.西門子人機界面(HMI)組態(tài)與應用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

Design of the control system for compound paper-yarn bag-making and printing machine

YUE Yan-hong，PENG Zhen-rui，HOU Fei

針對目前研發(fā)出的新型紙紗復合制袋機只具有單色印刷功能、自動化程度不高、加工精度達不到要求的現(xiàn)狀，本文提出了一套以西門子S7-200 PLC為控制核心的紙紗復合制袋印刷一體機的控制方案。具體包括控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和人機界面設(shè)計，為本系統(tǒng)的進一步完善打下了基礎(chǔ)。

紙紗復合；制袋機；印刷機；PLC；人機界面

岳艷虹（1986 -），女，甘肅天水人，碩士研究生，主要從事檢測與控制方向的研究。

TP271

B

1009-0134(2013)01(下)-0121-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.01(下).35

2012-09-04